全站儀在高速公路高程控制測量中的應(yīng)用

梁進(jìn)鋒

中交二公局第一工程有限公司，湖北 武漢 430000

高效的高程測量有助于提高整個高速公路建設(shè)質(zhì)量。我國地域廣闊，高速公路覆蓋面積大，山區(qū)路段數(shù)量多且長，如果高程測量結(jié)果不正確，就會給公路最終建設(shè)質(zhì)量帶來較大的影響。傳統(tǒng)高程測量以水準(zhǔn)測量為主，其主要目的就是獲得兩點之間的高差，如果在山區(qū)，這種方法往往表現(xiàn)出一定的局限性，另外水準(zhǔn)測量還具有精度差、效率低、適用性較差等劣勢。隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，全站儀測量技術(shù)出現(xiàn)，該技術(shù)因應(yīng)用成本低、應(yīng)用效果好、適用范圍廣等深受施工企業(yè)的喜愛。

1 工程概況

中交安江高速公路TJ7B合同段項目經(jīng)理部位于貴州省遵義市余慶縣，屬于高原山區(qū)地貌，地方交通不便，施工環(huán)境復(fù)雜，工期緊，任務(wù)重。經(jīng)理部管段范圍內(nèi)起止樁號為K86+430～K98+000，施工段全長11.570km。其中正線路基總長8070m，占線路總長的69.88%；橋梁13座，隧道1座，服務(wù)區(qū)1處、互通1處、涵洞18個、通道14個、天橋1個；預(yù)制T梁928片。根據(jù)工期要求，2015年12月底通車。該公路項目建設(shè)施工中，應(yīng)用到全站儀的環(huán)節(jié)主要有定位樁位、測量放樣、調(diào)整模板橫向和縱向垂直度。

項目區(qū)域地處貴州省中部，位于黔北南陲，地勢東北略高、西南略低。項目區(qū)最高點位于核桃樹隧道出口附近的山上，海拔為959.0m，最低點為余慶河河谷，海拔為565.1m，高差393.9m。根據(jù)項目所在區(qū)域的地形以及具體的施工進(jìn)度，確定了測量隊伍以及高程測量起點，高程測量和控制貫穿于項目開展的全過程[1]。

2 高程觀測

應(yīng)用TCRP1201+R400全站儀進(jìn)行高程觀測，該儀器測距精度為±（2mm+10-6×D），其中D為實測距離，測角精度為±2"，全站儀工作流程如圖1所示。觀測中，應(yīng)用對向觀測中絲法觀測四測回測定垂直角，垂直角指標(biāo)差較差小于5"，垂直角測回較差小于5"，應(yīng)用對向觀測兩測回測定邊長，用d表示測距邊長，對向觀測高差較差小于40d，該全站儀的高和棱鏡高精確到毫米，一般需要讀取兩次后取平均數(shù)。只有一個點的觀測值和觀測限差滿足具體的規(guī)范要求后，方可開展下一點的觀測，否則必須重新觀測。

圖1 全站儀工作流程

3 高程數(shù)據(jù)處理

在計算水平距離時，垂直角等于地球曲率與大氣折光對垂直角的改正值和測站平差后的垂直角中數(shù)之和，兩點之間的水平距離為對向觀測的中數(shù)，計算兩點間的高差一般需要加兩差改正，其計算公式如下：

式中：D為測距邊兩端點儀器與棱鏡平均高程面上的水平距離，m；S為改正后的斜距，m；H為反光鏡和測距儀之間的高度差，m；為垂直角觀測值；F為地球曲率與大氣折光對垂直角的改正；K為當(dāng)?shù)氐拇髿庹酃庀禂?shù)；Rm為地球平均曲率半徑，取6378245m。

將測量所得到的平均距離和高差數(shù)據(jù)輸入平差軟件中進(jìn)行平差計算，經(jīng)過計算得知，該項目每公里高差偶然中差為±1.4mm，允許值為±5.0mm；每公里高差全中誤差為±3.1mm，允許值為±10.0mm；最弱相鄰點高程中誤差為±6.5mm；最弱點高程中誤差為±14.9mm，允許值±25.0mm。以上數(shù)據(jù)證明，該項目平均距離和高差的精度均滿足相應(yīng)的規(guī)范和要求。

4 等水準(zhǔn)各項精度均滿足規(guī)范要求的控制策略

隨著國內(nèi)高速公路建設(shè)項目數(shù)量和規(guī)模的不斷增加，全站儀的應(yīng)用也越來越普及，該儀器應(yīng)用中所存在的問題也開始凸現(xiàn)，使得全站儀的應(yīng)用精度無法得到有效的保證。筆者通過總結(jié)多個全站儀應(yīng)用項目，發(fā)現(xiàn)為了保證全站儀設(shè)備應(yīng)用精度，需要做好以下工作。

（1）保證反射鏡高度測量和儀器高度測量的次數(shù)。為了提高儀器高度和反射鏡高度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須在前方和后方分別測量一次，如果兩次測量結(jié)果之間的誤差較大，那么需要再次測量，然后和已經(jīng)測量的數(shù)據(jù)對比，找出并剔除測量失誤或錯誤的數(shù)據(jù)，如果兩次測量結(jié)果之間差別不大，那么就可以確定測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。測量工作中，盡量應(yīng)用專業(yè)工具測量[2]。

（2）測量數(shù)據(jù)的取值以mm為單位。為了提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，測量結(jié)果應(yīng)該精確到mm。測量中遇到導(dǎo)線點，應(yīng)該將其作為高程測量的轉(zhuǎn)折點。在測量轉(zhuǎn)點間距和豎直角度時，應(yīng)在氣候條件相同的前提下，進(jìn)行對向觀測，只有應(yīng)用這種方式測量出來的結(jié)果才更加符合實際環(huán)境，該測量結(jié)果也才能給后續(xù)施工提供更加科學(xué)和正確的指導(dǎo)。

（3）注重地球曲率。在測量山地或者丘陵環(huán)境中兩點之間的距離或者高度時，因為地球本身存在一定的曲率，所以測量結(jié)果必然會存在一定的誤差。為此，測量工作中，為了提高測量數(shù)值的科學(xué)性，必須重點關(guān)注地球曲率對測量結(jié)果造成的影響[3]。

（4）注重氣溫和氣壓的影響。應(yīng)用全站儀測量高速公路高程時，通常會受到氣壓或者氣溫等因素的影響。全站儀經(jīng)過多方改良后，其自身可以自行設(shè)定氣溫和氣壓參數(shù)。在測量工作前，首先應(yīng)明確環(huán)境的氣溫和氣壓，然后根據(jù)環(huán)境氣溫氣壓設(shè)定全站儀的工作參數(shù)，再進(jìn)行距離或者高度的測量，這樣就可以顯著提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（5）正確掌握重復(fù)測量次數(shù)。測量工作中，全站儀的應(yīng)用往往會受到各種外界因素的影響，因此一次測量結(jié)果往往不能正確反映真實的情況。為了提高測量數(shù)據(jù)的精確性，往往需要多次反復(fù)測量，而測量次數(shù)的選擇和確定，大多需要根據(jù)環(huán)境的實際情況而定。

（6）注重時機(jī)的選擇。應(yīng)用全站儀測量高程也會受到測量時間的影響，換言之，應(yīng)用全站儀測量高程往往也存在最佳時間。為此，在選擇測量時間時，選擇在大氣垂直折光系數(shù)變化較小的時間開展為最佳。

5 全站儀的應(yīng)用的注意事項

第一，測量儀器高度和反射鏡高度時，前后各測量一次，兩次測量結(jié)果之間的誤差不超過2mm為合格，測量應(yīng)該選擇專業(yè)的測量儀器。第二，在對距離進(jìn)行測量時，要選擇測量精度超過Ⅱ級的全站儀，單位精確至毫米，提高測量結(jié)果的精確程度。第三，在對高差進(jìn)行計算時，應(yīng)該將地球曲率考慮進(jìn)來，測量地球曲率影響較為嚴(yán)重的兩點間距時，應(yīng)該采用對向觀測平均值。第四，測距之前，首先應(yīng)該測定氣溫和氣壓，同時在測距過程中加入氣象改正。第五，應(yīng)用中絲法測量豎直角時，豎直角不能超過20°，如果超出該范圍，應(yīng)該適當(dāng)增加測量次數(shù)，進(jìn)而提高豎直角度測量的準(zhǔn)確度。第六，觀測時間嚴(yán)重影響成像的清晰度和穩(wěn)定性，而在每天日出、日落時，大氣垂直折光系數(shù)變化往往都較大，因此這個時間段不能開展長邊觀測。第七，在一組測量數(shù)據(jù)中，如果對向觀測高差超過一定范圍，則需要重復(fù)測量。

6 結(jié)束語

綜上所述，傳統(tǒng)的高速公路高程測量方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求，在高速公路建設(shè)數(shù)量和規(guī)模不斷增加的背景下，全站儀的應(yīng)用越來越廣泛。全站儀的應(yīng)用克服了傳統(tǒng)高程測量控制方法的弊端，降低了工作人員工作強(qiáng)度，保證了測量工作的準(zhǔn)確性和效率，提高了測量結(jié)果的精準(zhǔn)程度，同時具有應(yīng)用成本低、適用范圍廣等優(yōu)勢，值得被廣泛推廣和應(yīng)用，但是應(yīng)用該儀器時，同樣需要注意相關(guān)注意事宜，這樣才能保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，為后續(xù)施工打好堅實的基礎(chǔ)。